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如何做出正確的決定——壓電傳感器（一）

2023-04-10 23:30:33·  來(lái)源：HBM 測(cè)試與測(cè)量  
　
壓電傳感器：哪個(gè)傳感器適合我的應(yīng)用？壓電力傳感器與基于應(yīng)變的傳感器具有明顯不同的特性。壓電力傳感器由單晶片組成，在受到壓力時(shí)產(chǎn)生電荷。一般來(lái)說(shuō)，使用兩
壓電傳感器：哪個(gè)傳感器適合我的應(yīng)用？
壓電力傳感器與基于應(yīng)變的傳感器具有明顯不同的特性。壓電力傳感器由單晶片組成，在受到壓力時(shí)產(chǎn)生電荷。一般來(lái)說(shuō)，使用兩個(gè)這樣的切片，中間插入一個(gè)電極。整個(gè)結(jié)構(gòu)被封閉在一個(gè)外殼中。電荷被電極和外殼吸收，并通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)诫姾煞糯笃鳌?/div>
 
圖中顯示了壓電力傳感器的典型結(jié)構(gòu)：1 外殼；2 壓電晶體；3 電極
壓電傳感器依賴于晶體和外殼之間的良好接觸。這一方面需要對(duì)晶體和與晶體接觸的部件表面進(jìn)行精確加工，另一方面需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載。實(shí)際上，一般 10% 預(yù)應(yīng)力可確保可靠接觸——較高的預(yù)應(yīng)力可提高計(jì)量性能。當(dāng)然，預(yù)應(yīng)力不得使預(yù)應(yīng)力元件或傳感器過(guò)載。
什么決定了壓電傳感器的輸出信號(hào)？
對(duì)壓電晶體施加力，產(chǎn)生電荷Q形式的輸出信號(hào)，用pC（10-12c）表示?？墒褂靡韵鹿接?jì)算電荷：
Q = qxy*F
其中F是力，qxy是壓電常數(shù)。后者取決于所使用的晶體類型和所加載的晶體方向。最常用的材料是石英，靈敏度為4.3pc/N，溫度限制為200°C。HBM 使用磷酸鎵。其靈敏度約為石英的兩倍（約為8 pC/N）。其溫度限值為850°C，但是，由于熱應(yīng)力的限制，力傳感器的溫度極限為300°C。
壓電和應(yīng)變力傳感器有各自的優(yōu)點(diǎn)，如何進(jìn)行選擇?
選擇壓電還是應(yīng)變力傳感器取決于應(yīng)用，在以下應(yīng)用中，應(yīng)首先選擇壓電傳感器：
  • 傳感器安裝空間有限
  • 初始負(fù)荷高的小力測(cè)量
  • 測(cè)量范圍寬
  • 非常高的溫度下測(cè)量
  • 極端的過(guò)載穩(wěn)定性
  • 高動(dòng)態(tài)
基于應(yīng)變的傳感器在其他方面比壓電力傳感器具有優(yōu)勢(shì)。例如，它們能夠測(cè)量張力，更經(jīng)濟(jì)可靠。此外，它們還提供更好的精度、無(wú)需靜態(tài)校準(zhǔn)。在參考校準(zhǔn)測(cè)量方面，只能使用應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。
我們建議，在任何情況下，首先要滿足測(cè)量任務(wù)的要求，其次選擇最經(jīng)濟(jì)有效的方式。當(dāng)決定使用壓電傳感器時(shí)，依然要根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行選擇。
壓電傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：
 
1. 傳感器安裝空間有限
壓電力傳感器結(jié)構(gòu)非常緊湊 - 例如CLP系列高度僅3到5mm (依據(jù)量程)。因此，這種傳感器非常適合與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)集成。傳感器帶有一個(gè)集成的電纜，結(jié)構(gòu)高度非常低。傳感器帶有所有尺寸螺紋，從M3到M14。結(jié)構(gòu)高度低要求傳感器表面上的力盡可能均勻地分布。
 
2. 初始負(fù)荷高的小力測(cè)量
當(dāng)施加力時(shí)，壓電傳感器產(chǎn)生電荷。然而，傳感器受到超出實(shí)際測(cè)量的力，例如在安裝期間。所產(chǎn)生的電荷可能短路，將電荷放大器輸入端的信號(hào)設(shè)置為零。這樣就可以根據(jù)要測(cè)量的實(shí)際力來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)量范圍。因此，即使初始負(fù)載與被測(cè)量的力相差很大，也能保證高測(cè)量分辨率。CMD600等高端電荷放大器可以實(shí)時(shí)連續(xù)地調(diào)節(jié)測(cè)量范圍，從而支持這些應(yīng)用。
 
3. 測(cè)量范圍寬
壓電傳感器在多階段中也具有優(yōu)勢(shì)。首先，初始施加較大的力時(shí)，可對(duì)壓電測(cè)量鏈相應(yīng)調(diào)整。第二階段涉及力的跟蹤，即小力變化測(cè)量。受益于壓電傳感器的特殊功能，包括物理消除電荷放大器輸入端的信號(hào)。電荷放大器輸入可以再次設(shè)置為零，并調(diào)整測(cè)量范圍以確保高分辨率。
 
4. 極高溫
一些應(yīng)用需要在非常高的溫度下測(cè)量力。在這些應(yīng)用中，基于應(yīng)變的力傳感器達(dá)到了其物理極限。然而，CHW系列, 壓電力墊圈的工作溫度可高達(dá)300攝氏度。
 
5. 極高過(guò)載穩(wěn)定性
除了少數(shù)產(chǎn)品外，所有壓電傳感器都具有相同的靈敏度。這又意味著在給定力下具有20kN量程的力傳感器與700kN量程的傳感器的輸出信號(hào)相同。因此，在分辨率和精度方面，使用兩個(gè)傳感器中的哪一個(gè)是無(wú)關(guān)緊要的。測(cè)量鏈可以設(shè)置為極大力值，但能夠測(cè)量非常小的力。
 
6. 高動(dòng)態(tài)
壓電傳感器具有非常小的位移并提供相應(yīng)的高剛度 - 這使它們成為用于動(dòng)態(tài)應(yīng)用的理想選擇。然而，整個(gè)測(cè)量鏈對(duì)動(dòng)態(tài)特性有影響。還需要考慮附件的剛度。壓電測(cè)量鏈通常非常適合于小力值的高動(dòng)態(tài)測(cè)量，而基于應(yīng)變的力傳感器是大力值動(dòng)態(tài)測(cè)量的第一選擇。 
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